NAPĘD ELEKTRYCZNY I HYBRYDOWY W UKŁADZIE

Janusz KRASUCKI
NAPĘD ELEKTRYCZNY I HYBRYDOWY
W UKŁADZIE HYDRAULICZNYM
POJAZDU SPECJALNEGO MONTRAKS*)
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono koncepcję napędu elektrycznego i hybrydowego mechanizmów roboczych pojazdu specjalnego MONTRAKS, służącego do napraw i konserwacji
tramwajowej sieci trakcyjnej. Pokazano wyniki badań eksploatacyjnych pojazdu, które wskazują na niską efektywność energetyczną
napędu klasycznego z silnikiem spalinowym i możliwość zastosowania dodatkowego napędu elektrycznego zasilanego z baterii elektrochemicznej. W celu porównania różnych struktur napędu, zbudowano stanowisko badawcze wysięgnika hydraulicznego z napędem
dwuźródłowym. Zamieszczono wyniki wstępnych badań, które wykazały zalety proponowanego rozwiązania.
Słowa kluczowe: napęd hybrydowy, napęd spalinowo-elektryczny,
ekologiczne układy napędowe, pojazdy specjalne, maszyny robocze
1. WSTĘP
Pojazd specjalny MONTRAKS, którego konstrukcja opracowana została
w Przemysłowym Instytucie Maszyn Budowlanych, używany jest przez Miejskie Zakłady Komunikacyjne do napraw i obsługi tramwajowej sieci trakcyjnej.
*)
Praca wykonana w ramach projektu badawczego KBN nr 5 T07C 01925.
dr inż. Janusz KRASUCKI
e-mail: [email protected]
Przemysłowy Instytut Maszyn Budowlanych
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 231, 2007
88
J. Krasucki
Obecna wersja tego pojazdu – przedstawiona na rys. 1, zbudowana na podwoziu samochodowym IVECO, wyposażona jest w osprzęt roboczy, którego
głównym elementem jest pomost roboczy „1” osadzony na końcu wysięgnika „2”,
podnoszonego przez układ dwóch siłowników hydraulicznych. Poziome położenie pomostu, przymocowanego niecentralnie względem głowic, zapewnia układ
prostowodowy z dodatkowym siłownikiem hydraulicznym.
Rys. 1. Pojazd specjalny MONTRAKS 3PS
1-pomost roboczy, 2-wysięgnik, 3-kolumna obrotowa,4-wózek do jazdy szynowej, 5-podpory
boczne
Specyfika prac związanych z naprawą sieci trakcyjnej, prowadzonych
przede wszystkim w porze nocnej, powoduje, że konieczny jest długotrwały
nieraz postój pojazdu z pracującym silnikiem spalinowym, który napędza pompę
zasilającą układ hydrauliczny. Jest to źródłem szczególnie uciążliwego wówczas hałasu. Jednocześnie zapotrzebowanie mocy ze strony układu roboczego
jest niewielkie a silnik spalinowy pracuje wówczas w obszarze wybitnie małej
sprawności i dużej toksyczności spalin.
Rozwiązaniem, które eliminuje wspomniane wady napędu spalinowego
w odniesieniu do układu roboczego, jest wprowadzenie dodatkowego napędu
elektrycznego zasilanego z baterii elektrochemicznej. Takie rozwiązanie daje
jednocześnie dodatkową możliwość rekuperacji energii potencjalnej opuszczanego pomostu. Wymaga to jednak innego sterowania prędkością ruchów
roboczych − rezygnacji z zaworów proporcjonalnych i sterowania dławieniowego na rzecz sterowania czysto objętościowego, tj. sterowania prędkością
kątową zespołu pompa-silnik elektryczny. Jednakże zastosowanie napędu wyłącznie elektrycznego podczas jazdy drogowej, wymagałoby całkowicie nowej
konstrukcji pojazdu.
Napęd elektryczny i hybrydowy w układzie hydraulicznym pojazdu specjalnego ...
89
Optymalnym rozwiązaniem jest napęd hybrydowy, spalinowo-elektryczny, gdzie sumowanie mocy zachodzi na drodze hydraulicznej i możliwa jest
praca jednocześnie dwu źródeł mocy. Przy czym napęd elektryczny powinien
być tak dobrany aby większość prac mogła być wykonana przy wykorzystaniu
tylko tego napędu. Ograniczy to istotnie hałas wywołany pracą silnika spalinowego oraz emisji spalin co jest szczególnie istotne w środowisku miejskim. Na
etapie prac badawczych związanych konstrukcją napędu elektrycznego lub hybrydowego należy przeprowadzić szereg analiz, z których najważniejsze to:
• przeprowadzenie bilansu energetycznego maszyny dla znanego lub założonego cyklu pracy,
• wybór odpowiedniej struktury napędowej stanowiącej kompromis między kosztem danego rozwiązania a jego efektywnością energetyczną,
• badania symulacyjne napędu pozwalające na dobór optymalnych parametrów napędu, z energetycznego i użytkowego punktu widzenia,
• badania laboratoryjne napędu.
Ogólne podstawy projektowania napędów hybrydowych podano m.in.
w [2]. W niniejszej pracy przedstawiono wybrane wyniki przeprowadzonych
badań eksploatacyjnych pojazdu specjalnego MONTRAKS. oraz badań napędu
hybrydowego na stanowisku laboratoryjnym.
2. BADANIA EKSPLOATACYJNE POJAZDU
W celu określenia bilansu mocy i wyznaczenia rzeczywistej charakterystyki obciążenia, przeprowadzone zostały badania napędów roboczych podczas normalnej eksploatacji pojazdu MONTRAKS. Wyznaczony w ten sposób,
cykl pracy pojazdu odgrywa podstawową rolę przy analizie energetycznej
i doborze parametrów napędu elektrycznego i hybrydowego.
Opracowano i wykonano specjalne urządzenie rejestrujące SAMON, pełniące rolę „czarnej skrzynki”, tzn. rejestrujące wybrane parametry pracy napędu
w sposób automatyczny, bez ingerencji operatora/kierowcy pojazdu (pomijając
stany awaryjne) takie jak: ciśnienia i natężenia przepływu w poszczególnych
punktach obwodu hydraulicznego, prędkość jazdy, sygnały załączające i wyłączające rozdzielacze w poszczególnych obwodach hydraulicznych. Załączenie/wyłączenie urządzenia odbywa się automatycznie w momencie załączenia/wyłączenia pompy głównej. Pojemność wewnętrznej pamięci pozwala na
nieprzerwaną rejestrację 72 godz. pracy napędu. Dane z rejestratora poprzez
90
J. Krasucki
interfejs RS-232 są przesyłane do zewnętrznego komputera, celem dalszej
obróbki. Schemat układu pomiarowego pokazano na rys. 2.
Rys. 2. Badania eksploatacyjne − schemat układu pomiarowego
Czas rejestracji wyniósł 67 jednostek roboczych (dzień lub noc), co
odpowiada 185 godzinom efektywnej pracy napędu.
Na rysunku 3 przedstawiono histogramy mocy i zużycia energii przez
mechanizmy robocze pojazdu w uśrednionym statystycznie cyklu pracy.
Z przeprowadzonych badań wynika, że ok. 84 % czasu pracy napędu
stanowi praca pomp na biegu jałowym (z mocą poniżej 1 kW) realizowana
91
Napęd elektryczny i hybrydowy w układzie hydraulicznym pojazdu specjalnego ...
częstość występowania %
90
0.5 kW
80
moc maksymalna: 23.2 kW
70
moc średnia: 0.73 kW
Średnie zapotrzebowanie energetyczne - 2622.9 kJ/godz
60
- procentowy udział zużycia energii
50
40
30
20
1.3 kW
10
2.7 kW
3.4 kW
4.4 kW
5.9 kW
8.1 kW
0
1
2
3
4
5
7
10
Moc [kW]
Rys. 3. Rozkład mocy i zużycia energii w warunkach eksploatacyjnych
w celu utrzymania w gotowości układu hydraulicznego. Pozostały udział stanowią efektywne ruchy robocze, przy czym w przedziale mocy od 1 – 4 kW
realizowane jest 14 % czasu uśrednionego cyklu pracy. Należy podkreślić, że
wykorzystywany do napędu silnik wysokoprężny IVECO ma moc znamionową
130 kW. Co oznacza wykorzystanie jego mocy na poziomie 3 %! Na podstawie
uzyskanych wyników przyjęto, że wymagana moc dodatkowego napędu elektrycznego, wystarczająca na pokrycie ok. 95 % przypadków obciążenia, wynosić powinna ok. 3 kW. W przypadkach, gdy zapotrzebowanie mocy przekracza
tę wartość, wykorzystywany będzie napęd spalinowy.
3. STRUKTURA NAPĘDU HYBRYDOWEGO
Ideę proponowanego napędu hybrydowego ilustruje schemat na rys. 4.
Przekazywanie mocy do odbiornika 2 odbywać się może jednocześnie
z dwóch źródeł: silnika spalinowego 1 pracującego z mocą „N0” i napędzającego pompę 3 oraz z silnika elektrycznego 5 zasilanego z baterii 7 i napędzającego pompę 4 mocą Ne. Sumowanie mocy realizowane jest na drodze
hydraulicznej poprzez sumowanie natężeń przepływu obu pomp przy tym
samym ciśnieniu. Jako elektryczne źródło mocy można zastosować silnik prądu
stałego DC, lub silnik indukcyjny, – przy czym najbardziej efektywne rozwiązanie to maszyna z magnesami stałymi. Silnik elektryczny sterowany jest za
92
J. Krasucki
pomocą przekształtnika impulsowego 6 (choppera w przypadku napędu DC lub
falownika dla napędu indukcyjnego), co pozwala na płynną regulację prędkości
pompy (oraz natężenia przepływu) w całym zakresie, z możliwością pracy rewersyjnej.
2
Odbiornik
mocy
NR
Ne
6
N0
1
5
3
7
4
Rys. 4. Schemat napędu hybrydowego z odzyskiem energii
Możliwe są w tym przypadku dwie różne strategie pracy napędu:
I. Głównym źródłem napędu pozostaje silnik spalinowy, pracujący w reżimie
stałej mocy N0 = const.
• W przypadku, gdy obciążenie wzrasta i zachodzi NR > N0, do pracy
włącza się silnik elektryczny i zachodzi sumowanie mocy z obu źródeł:
NR = N0 + Ne.
• W przypadku braku obciążenia NR = 0, następuje doładowanie baterii
poprzez silnik 5 pracujący generatorowo; moc z silnika spalinowego 1
przekazywana jest przez układ pomp 3 i 4 przy czym pompa 4 pracuje
jako silnik hydrauliczny napędzający maszynę elektryczną 5. Bilans mocy: N0 = Ne.
• W przypadku hamowania odzyskowego (lub opuszczania ciężaru), ładowanie baterii poprzez silnik 5 pracujący generatorowo odbywa się
z mocą Ne = NR + N0.
II. Głównym źródłem napędu jest silnik elektryczny, pracujący ze zmienną mocą
Ne = var. Silnik spalinowy jest wykorzystywany jedynie do doładowania baterii oraz w przypadku wzrostu zapotrzebowania na moc NR > Ne.
Napęd elektryczny i hybrydowy w układzie hydraulicznym pojazdu specjalnego ...
93
Na podstawie wyników badań symulacyjnych [5], dobrano parametry
elementów układu napędowego i opracowano wstępny projekt techniczny napędu. Na rysunku 5 pokazano rozwiązanie techniczne napędu hybrydowego,
które jest przedmiotem badań na stanowisku laboratoryjnym w Przemysłowym
Instytucie Maszyn Budowlanych.
Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego napędu hybrydowego
Obiektem badań jest układ wysięgnika „2” wychylanego przy pomocy
cylindra hydraulicznego „3” i obciążanego wiszącą masą „1”. Głównym źródłem
mocy jest obcowzbudny silnik elektryczny „9” będący symulatorem silnika spalinowego, który poprzez przekładnię „11” napędza pompę hydrauliczną „8”. Na
94
J. Krasucki
wale silnika zamontowany jest bezwładnik „10”, który pełni rolę inercyjnego akumulatora energii. Drugim źródłem mocy jest maszyna elektryczna „4” zasilana
z baterii akumulatorów elektrochemicznych „6” i sterowana impulsowo przy pomocy choppera „7”. Maszyna „4” może pracować w czterech ćwiartkach układu
{M,n} bądź jako silnik elektryczny i napędza pompę wielotloczkową „5”, bądź
jako generator. Drugie źródło mocy stanowi silnik elektryczny „4” który symuluje
zachowanie silnika spalinowego i poprzez przekładnię obiegową „12” napędza
pompę „11”. Dzięki rozdzielaczom „12”, „13” i „14” możliwa jest realizacja
struktury jedno- lub dwuźródłowej oraz zmiana kierunku przepływu mocy pozwalająca na odzysk energii podczas opuszczania wysięgnika. Rekuperacja energii może zachodzić na baterię elektrochemiczną „6” lub na akumulator inercyjny
„10”. Możliwe jest również bezpośrednie ładowanie baterii z silnika „9”. Sterowanie prędkością ruchów roboczych realizowane jest przez zmianę wartości
oraz kierunku natężenia przepływu pompy „5”, dzięki odpowiedniemu wysterowaniu silnika elektrycznego DC „4” przy pomocy sterownika „7”. W szczególności możliwa jest praca generatorowa silnika elektrycznego „4” i ładowanie
baterii „6”.
Wykonane stanowisko pozwala na podnoszenie ciężaru o masie do 450 kg
z prędkością do 0.2 m/s. Jako elektryczne źródło mocy zastosowany został
silnik DC z magnesami stałymi o mocy 3.5 kW, zasilany z baterii akumulatorów
3 x 12 V.
Podczas badań rejestrowane były ciśnienia w układzie hydraulicznym,
prędkości obrotowe pomp hydraulicznych, przemieszczenie i prędkość tłoczyska cylindra oraz wartości prądów i napięć silników elektrycznych i baterii.
4. WSTĘPNE WYNIKI BADAŃ STANOWISKOWYCH
W pierwszej fazie badaniom poddano układ w wersji jednoźródłowej wg
schematu jak rys. 5, z wykorzystaniem tylko silnika „4” i zasilaniem z baterii „6”.
Analizowano efektywność energetyczną napędu dla różnego obciążenia oraz
różnych prędkości ruchów roboczych.
Średnią sprawność napędu, odpowiednio dla fazy podnoszenia ηpsr
i opuszczania ηosr zdefiniowano jako:
To
ΔE / T
η psr = N p p =
DCsr
mgΔh
Tp
∫ N DC ( t )dt
0
∫ N DC ( t )dt
;
η osr = 0
mgΔh
(1)
Napęd elektryczny i hybrydowy w układzie hydraulicznym pojazdu specjalnego ...
95
gdzie:
NDC(t) – moc chwilowa. silnika elektrycznego mierzona na zaciskach,
Tp, To – czas fazy podnoszenia/opuszczania,
Δh
– wysokość podnoszenia.
Sprawność podnoszenia nie była niższa niż 23 %, osiągając maks. Wartość ok. 40 %. Średnia moc silnika elektrycznego wynosiła od 170 W w przypadku podnoszenia masy 220 kg z prędkością 0.03 m/s, do 2100 W dla masy
432 kg i prędkości 0.18 m/s.
Średnia sprawność opuszczania ciężaru ηosr z uwzględnieniem odzysku
energii, wynosiła od 32 % do 47 %.
Wyznaczone średnie sprawności napędu maleją wraz ze zmniejszaniem
obciążenia oraz prędkości ruchów roboczych, co wynika z niskiej sprawności
mechanicznej pomp wielotłoczkowych w zakresie niskich ciśnień.
Oceniono również efektywność przepływu energii w przypadku akumulatora inercyjnego jako źródła mocy. Średnią sprawność wyładowania akumulatora ηaw oraz sprawność akumulacji energii ηaa określono jako stosunek zmiany
energii potencjalnej ciężaru do zmiany energii kinetycznej akumulatora mechanicznego i odwrotnie
Sprawność wyładowania wynosiła średnio 28 % i była wyższa niż
sprawność akumulacji, która nie przekroczyła poziomu 16 %. Maksymalna moc
wyładowania akumulatora wynosiła 690 W. Stwierdzono, że sprawność akumulacji energii zależy w tym przypadku od początkowego stopnia naładowania
akumulatora i jest najwyższa, gdy w fazie opuszczanie ciężaru początkowa
energia kinetyczna akumulatora wynosi 0.
Badaniom poddano również możliwość jednoczesnej współpracy napędu
elektrycznego oraz akumulatora inercyjnego w fazie podnoszenia. Stwierdzono,
że z uwagi na szybkie rozładowanie akumulatora inercyjnego, możliwość taka
istnieje jedynie w początkowej fazie ruchu, umożliwiając ograniczenie prądu
silnika elektrycznego w chwili podrywania ciężaru i w efekcie wzrost sprawności
ogólnej układu.
5. WNIOSKI
Wprowadzenie dodatkowego napędu elektrycznego w układzie roboczym
pojazdu specjalnego MONTRAKS rozszerza możliwości jego pracy oraz w istotny sposób podnosi sprawność napędu, eliminując jednocześnie lub ograni-
96
J. Krasucki
czając wady napędu spalinowego. Sterowanie prędkością obrotową silnika elektrycznego pozwala na precyzyjną regulację wydajności napędzanej pompy i sterowanie ruchami roboczymi przy znacznie mniejszych stratach niż jak dotychczas,
w przypadku sterowania dławieniowo-objętościowego za pomocą zaworu proporcjonalnego. Powoduje to zwiększenie sprawności napędu, widoczne zwłaszcza przy małych prędkościach.
Najbardziej istotną korzyścią energetyczną wprowadzenia napędu hybrydowego, jest odzysk energii potencjalnej w fazie opuszczania pomostu wskutek hamowania generatorowego silnikiem elektrycznym i akumulacji energii w baterii − podczas gdy w rozwiązaniu klasycznym konieczne jest jej dostarczanie
do układu. Uproszczenie konstrukcji układu poprzez eliminację zaworu hamującego i rozdzielacza proporcjonalnego powoduje również obniżenie kosztów samego napędu, gdyż koszt sterownika silnika DC jest ok. dwukrotnie niższy niż
koszt hydrauliki proporcjonalnej.
Komplikuje się jednakże sposób sterowania napędem, gdyż wymagany
jest w tym przypadku nadrzędny układ sterowania koordynujący działanie sterownika silnika elektrycznego oraz sterowania silnikiem spalinowym i układem
rozdzielaczy hydraulicznych.
LITERATURA
1
Stryczek S., Napęd hydrostatyczny. WNT, Warszawa 1997,
2
Szumanowski A., Fundamentals of Hybrid Vehicle Drives, Monograph Book
Warszawa-Radom 2000.
3
Rostkowski A., Krasucki J., Możliwości zastosowania napędu hybrydo-wego w pojeździe
specjalnym MONTRAKS. IV Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna, „Pojazd
a Środowisko”, Radom 2003.
4
Krasucki J., Rostkowski A., Napęd hybrydowy pojazdu specjalnego do konserwacji i napraw
sieci trakcyjnej. XVII Konferencja Naukowa „Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych”,
Zakopane 2004.
5
Krasucki J., Rostkowski A., Koncepcja zastosowania napędu elektrycznego układach
hydrauliki siłowej na przykładzie mechanizmów roboczych pojazdu MONTRAKS, Przegląd
Mechaniczny, 9’05.
Rękopis dostarczono, dnia 27.02.2007 r.
Opiniował: doc. dr hab. inż. Krzysztof Zymmer
ITE,
Napęd elektryczny i hybrydowy w układzie hydraulicznym pojazdu specjalnego ...
HYBRID AND ELECTRIC DRIVE
FOR HYDRAULIC SYSTEM
OF SPECIAL VEHICLE MONTRAKS
Janusz KRASUCKI
ABSTRACT
The paper outlines the concept of electric and
hybrid drive for hydraulic equipment of special vehicle MONTRAKS for
maintenance of tram and trolley-bus overhead wire system. A research
and development works concerning those vehicles are conducted in
Construction Equipment Research Institute and around on the drive
system development taking into account the ecological aspects, such
as a emission level of engine, noise, drive efficiency etc. The results
of that is a new solution of hybrid drive system with electric motor
battery supplied and the recovery capability of lifted weight potential
energy. The preliminary results of laboratory researches point at the
greater efficiency a such drive
97